Diseño, construcción y validación numérica de un separador ciclónico para aplicaciones académicas

Abstract

El presente trabajo tuvo como objetivo diseñar, optimizar, construir y validar numéricamente un separador ciclónico para aplicaciones académicas, destinado a servir como plataforma experimental para la enseñanza y la investigación en mecánica de fluidos y separación gas-sólido. Como punto de partida se adoptó la geometría Stairmand de alta eficiencia, a partir de la cual se desarrolló el modelo tridimensional mediante diseño asistido por computadora y se caracterizó experimentalmente el material particulado empleado en las simulaciones. El análisis fluidodinámico se realizó mediante Dinámica de Fluidos Computacional utilizando ANSYS Fluent 2025 R2, empleando un modelo de turbulencia k-ε realizable, el Modelo de Fase Discreta para el seguimiento de partículas y un estudio de independencia de malla que garantizó la confiabilidad de los resultados. Posteriormente, se utilizó un Diseño de Experimentos factorial completo 32 y la Metodología de Superficie de Respuesta (RSM) para obtener modelos predictivos de la eficiencia de separación y la caída de presión del separador ciclónico en función de la longitud del buscador de vórtices y el diámetro de la descarga inferior. Estos modelos obtenidos fueron utilizados en funciones objetivo en un proceso de optimización multiobjetivo mediante el algoritmo genético NSGA-II, permitiendo identificar configuraciones geométricas con un equilibrio gran eficiencia y baja pérdida de caída de presión. Finalmente, se construyó e instrumentó un prototipo físico del separador ciclónico, el cual fue sometido a pruebas experimentales para validar las predicciones numéricas realizadas. Los resultados obtenidos demostraron una alta concordancia entre las simulaciones CFD y el comportamiento real, registrándose una eficiencia de separación experimental de 93,53 % frente al 95,22 % predicho numéricamente, con un error relativo de 1,51 %, lo que confirma la validez de la metodología empleada y la utilidad del equipo como herramienta para aplicaciones académicas e investigaciones futuras.